Dokument: Functional networks in the aging brain – A view on task-dependent regional changes and intrinsic functional connectivity

Titel:Functional networks in the aging brain – A view on task-dependent regional changes and intrinsic functional connectivity
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20140818-112239-7
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Roski, Christian [Autor]
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Dateien vom 16.06.2014 / geändert 16.06.2014
Beitragende: Eickhoff, Simon Bodo Johannes [Gutachter]
Prof. Dr. Kalenscher, Tobias [Gutachter]
Stichwörter:fMRT, aging, dedifferentiation, resting state, functional connectivity
Dewey Dezimal-Klassifikation:500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:Die vorliegende Dissertation umfasst drei Studien, in denen mit funktioneller Magnetresonanztomographie altersbedingte Veränderungen funktioneller Netzwerke im menschlichen Gehirn untersucht werden. Während die erste Studie aufgabenabhängige regionale Hirnaktivität untersuchte, beruhten Studien 2 und 3 auf einem meta-analytischen Ansatz sowie der Untersuchung der aufgabenunabhängigen, d. h. intrinsischen, Aktivität des Gehirns.
Der Fokus der ersten beiden Studien liegt auf altersabhängigen Veränderungen der Aktivität von Hirnregionen, welche mit der Durchführung einer sensomotorischen Aufgabe als auch einer visuellen Aufmerksamkeitsaufgabe einhergeht. Dabei wurde eine altersbedingte Abnahme neuronaler Selektivität, d. h. eine zunehmende neuronale Dedifferenzierung besonders berücksichtigt. In Studie 1 führten 101 Probanden zwei unterschiedliche Aufgaben durch; eine sensomotorische- sowie eine visuelle Aufmerksamkeitsaufgabe. Es konnte eine Interaktion zwischen dem Alter und der mit der jeweiligen Aufgabe einhergehenden Hirnaktivität gezeigt werden. Genauer gesagt, ging eine regionale altersbedingte Abnahme neuronaler Aktivität in aufgabenbezogenen Hirnregionen mit einer erhöhten neuronalen Aktivität in anderen Hirnregionen einher. Diese zusätzliche Rekrutierung findet jedoch nicht nur innerhalb eines funktionellen Netzwerkes statt, sondern über verschiedene Netzwerke hinweg und spiegelt eine verringerte Differenzierung der zugrunde liegenden Netzwerke wider. Dieser Effekt betont die Relevanz, Veränderungen regionaler neuronaler Aktivierung über die Aktivierungsmuster verschiedener funktioneller Netzwerke hinweg zu untersuchen.
Die zugrunde liegenden interregionalen Mechanismen für diese altersabhängigen Veränderungen wurden in der zweiten Studie näher untersucht. Dort wurde die Kommunikation zwischen denjenigen Regionen aus Studie 1, die einer Dedifferenzierung über verschiedene Netzwerke hinweg unterlagen, untersucht. Dazu wurde die Korrelation neuronaler Aktivitätsverläufe, d. h. die funktionelle Konnektivität (FC), dieser „netzwerkspezifischen“ Regionen im aufgabenunabhängigen Zustand des Gehirns betrachtet. Darüber hinaus wurde Regionen, die eine funktionelle Verbindung mit allen netzwerkspezifischen Regionen aufzeigten, ebenfalls in die FC-Analyse eingebunden. Diese „netzwerkübergreifenden“ Regionen wurden mit Hilfe eines meta-analytischen Ansatzes ermittelt. Mit den Ergebnissen aus Studie 1 übereinstimmend, zeigte Studie 2 eine verringerte Konnektivität für funktionelle Verbindungen zwischen den Netzwerken. Darüber hinaus spiegelt eine verringerte intrinsische Kopplung zwischen den netzwerkspezifischen und den netzwerkübergreifenden Hirnregionen eine altersbedingt veränderte „top-down“-Kontrolle wider, welche ebenfalls eine Dedifferenzierung der aufgabenspezifischen neuronalen Aktivität hervorrufen könnte. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen intrinsischer Verbindungen regionale Aktivitätsveränderungen reflektieren und somit einen Einfluss auf allgemeine altersbedingte Verhaltensmuster haben könnten.
Die dritte Studie unterstützt diese Annahme. Hier wurden altersbedingte FC-Veränderungen als mögliche neuronale Grundlage altersbedingter Verhaltensanpassungen in Aufgaben, welche eine kognitive Handlungskontrolle erfordern, untersucht. Im ersten Experiment dieser Studie wurde eine altersbedingte Verschlechterung der Reaktionszeiten in einer Reiz-Reaktions-Inkompatibilitätsaufgabe festgestellt. Im zweiten Experiment wurde eine altersbedingte Abnahme der intrinsischen Konnektivität innerhalb des Netzwerkes, das mit Reiz-Reaktions-Inkompatibilitätsaufgaben assoziiert ist, gezeigt. Diese intrinsischen Veränderungen werden als ein mögliches neuronales Substrat für die gezeigten altersbedingten Verhaltensdefizite diskutiert.
Zusammen zeigen die drei Studien, dass altersbedingte Veränderungen interregionaler Kommunikation zum einen aufgabenabhängige regionale Aktivierungs-veränderungen, zum anderen aber auch Verhaltensveränderungen widerspiegeln. Der intrinsische Zustand des Gehirns ist damit ein wichtiger Untersuchungsgegenstand, um altersbedingte Veränderungen im menschlichen Gehirn besser verstehen zu können.

Based on functional magnetic resonance imaging (fMRI) the present dissertation comprises three studies dealing with age-related changes within and between functional networks in the healthy human brain. Study 1 was based on regional task-dependent neural activity whereas studies 2 and 3 rest upon a meta-analytic approach and the analysis of the task-independent state of the brain.
The focus of the first two studies was on regional task-dependent and interregional task-independent changes between nodes of two different functional networks, the sensorimotor network and the visual attention network, thereby addressing an age-related reduction of neural selectivity, i.e., dedifferentiation. In study 1 an age-by-task interaction indicates that a reduction of functional specificity, i.e., dedifferentiation, in the aging brain may be counteracted by an increased recruitment of additional regions not only within, but also across functional networks. This finding emphasizes that comparing activation patterns across different functional networks is necessary to investigate age-related alterations of neural activation. Moreover, this effect prompts considerations on the nature of lifespan-dynamics of the human brain as it suggests that the mapping between regional processes and experimental tasks may undergo age-related changes.
On the basis of this task-dependent phenomenon, the second study investigates the network underpinnings of such age-related changes by analyzing the interregional integration of regions underlying a dedifferentiation across different functional systems (derived from study 1). In particular, the correlation of the task-independent neural activity-courses, i.e., resting-state functional connectivity (FC), of these regions was examined. Additionally, the FC analysis included regions that were functionally associated will all of the initial regions, i.e., „task general” regions. In line with regional activation changes reported in study 1, we found diminished anti-correlated FC for inter-system connections. Moreover, the observed reduced intrinsic coupling between system-specific and task-general regions might reflect age-related deficits in top-down control possibly leading to dedifferentiation of task-specific brain activity. Hence, the results indicate that intrinsic FC changes concur with regional activity changes in the healthy aging brain, thus contributing to common age-related behavioral changes.
Study 3 hardens this assumption. In the first part of this study an age-related behavioral decline for conflict processing, induced by spatial stimulus-response incompatibility, was demonstrated. In the second experiment decreases in intrinsic functional connectivity between nodes of the network associated with incompatibility-induced response conflicts were unveiled. These age-related changes in interregional communication are suggested to be a neural substrate for the age-dependent performance decline in response conflict solution.
Together, these studies demonstrate that age-related intrinsic interregional communication changes are a potential neural substrate for both task-dependent changes in regional activation and behavioral in healthy older adults thereby amplifying the fundamental relevance of the intrinsic brain state for understanding the human aging brain.
Fachbereich / Einrichtung:Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:18.08.2014
Dateien geändert am:18.08.2014
Promotionsantrag am:08.01.2014
Datum der Promotion:02.06.2014
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